船舶火災模擬訓練系統研究*

任鴻翔 金一丞 尹 勇

(大連海事大學航海動態仿真與控制交通部重點實驗室1) 大連 116026)

(浙江大學CAD&CG國家重點實驗室2) 杭州 310058)

目前的船舶消防訓練大都是在真實環境中進行,不僅花費大、污染環境,而且危險性很大.因此,很有必要研發船舶火災模擬訓練系統.近年來,一些學者已開始對船舶火災的模擬訓練進行研究.美國海軍實驗室1999年通過數學模型并運用信息技術與探測系統,發展了一種火災撲救決策系統,該實驗室還研究了用于訓練消防員的虛擬環境[1].國內對船舶火災模擬訓練的研究還處于起步階段[2-4],對其中的一些關鍵技術仍需要做進一步的深入研究.

本文在船舶操縱模擬器的基礎上,利用虛擬現實技術、可視化技術和數值模擬技術對船舶火災模擬訓練系統進行了研究,分析了系統的組成及各模塊的作用,對船舶火災蔓延模型及船舶火災仿真等關鍵技術做了深入探討,并實現了船舶火災場景的模擬,為下一步建成功能完備、真正實用的船舶火災模擬訓練系統打下了良好的基礎.

1 系統的結構與軟件模塊

船舶火災模擬訓練系統可采用分布交互仿真(distributed interactive simulation,DIS)的設計思想,系統由1個指揮決策中心和若干訓練單元組成(如圖1),指揮決策中心和各訓練單元的計算機均采用高性能微機,微機間通過網絡聯結.整個系統采用模塊化結構,可根據實際情況靈活配置.

船舶火災模擬訓練系統的軟件主要由指揮決策模塊、火災蔓延模塊、火災撲救模塊、船舶運動模塊、火災場景模塊組成(如圖2),各模塊的功能如下.

1.1 指揮決策模塊

指揮決策模塊包括訓練任務設定和初始化、訓練過程管理和控制、回放和分析評判等功能.訓練開始前,教員根據不同的訓練目的和要求明確訓練環境和訓練規則,生成訓練計劃和火災劇情.

1)任務設定和初始化 (1)訓練場景設定.設定船舶的種類、船舶航行或停泊時火災事故的位置、燃燒物狀態以及船舶周圍環境等信息;(2)職責設定.火災事故發生后各消防人員的現場位置、職責;(3)滅火器材設定.需要用到的各種火災撲救器材.

2)訓練過程管理和控制 指揮決策模塊通過大屏幕投影系統觀察火災現場情況,對整個訓練過程進行監控和調度,并進行數據的實時記錄,為訓練過程回放和分析提供充分的數據源.

圖1 系統結構

圖2 系統軟件模塊

3)回放和分析評判 讀取各信息數據并進行回放,根據訓練時記錄下的用戶操作順序、狀態等信息對其相應業務能力進行評判.

1.2 火災蔓延模塊

火災蔓延模塊是整個船舶火災模擬訓練系統的核心.該模塊通過火災蔓延模型計算火災的發展情況、起火艙室與鄰近艙室的煙氣層溫度隨時間的變化情況以及氧氣、一氧化碳、二氧化碳等氣體質量濃度隨時間的變化情況等,并在此基礎上對全船的火災危險性進行評估.

1.3 火災撲救模塊

1)虛擬消防艇 消防艇是海事消防部門最主要的消防設備之一,對于近海船舶火災故事,消防艇可及時到達現場并采用相應措施(如使用消防水槍)進行撲救.在船舶火災模擬訓練系統中可模擬消防艇的滅火過程.

2)虛擬消防水噴淋系統 自動消防水噴淋系統是船舶普遍使用的一種滅火設施,在船舶火災模擬訓練系統中可設置虛擬水噴淋頭和火焰探測器,自動檢測起火點的位置并進行監測,當火焰高度達到一定閾值時就會啟動水噴淋系統進行滅火.

3)虛擬滅火器 滅火器是船舶上常用的另外一種滅火設施.在系統中可設置虛擬滅火器,并可通過數據手套來控制滅火器.用戶使用手套拾取滅火器后,將之移動到距火源的有效距離內,啟動開關進行滅火.虛擬滅火器的位置、開關動作、持續時間等信息作為參數輸入到火災蔓延模型中,計算并模擬滅火過程.

1.4 船舶運動模塊

該模塊主要是指船舶的三維運動模型,可模擬不同種類、不同噸位的實船模型.船舶種類包括雜貨船、散貨船、集裝箱船、油船、客船、滾裝船等.船舶操縱數據模型包括影響船舶運動的各種效應,主要有 :主機、舵 、側推器、纜、錨等的控制;風、流等環境對船舶的作用;淺水效應、岸壁效應及船間效應等.

1.5 火災場景模塊

火災場景模塊是在火災蔓延模型的計算基礎上再現火災的三維場景,為使系統用戶有“身臨其境”的感覺,需從控制機制、真實感以及實時性三個方面對火焰燃燒進行仿真.

2 關鍵技術

2.1 船舶火災蔓延模型

2.1.1 火災蔓延模型 火災蔓延模型用來描述火災發生、發展的過程,是火災基礎理論研究的重要內容.現有的火災蔓延模型歸納起來主要有場模型[5]、區域模型[6]和網模型等,其中區域模型已逐漸成熟,場模型是當前研究的熱點,場區、區網等混合模型將會得到越來越廣泛的應用.

場模型是通過計算狀態參數(如溫度、速度、各組分質量濃度等)的空間分布隨時間的變化來描述火災發展過程的數學方程集合,可以給出火災發展過程的細節,但計算量較大.場模型可分為直接數值模擬、雷諾平均模擬和大渦模擬3種,其中大渦模擬可以反映流體瞬時的特性,并可通過較粗的計算網格劃分來減少數值模擬的巨額計算量.區域模型將研究的受限空間劃分為不同的控制體(一般情況下,受限空間被分為上下2個控制體:上層煙氣層和下層空氣層),同時假定各個控制體內部的物理參數均勻分布,而后利用質量、能量守恒原理和理想氣體定律導出一組常微分控制方程,能給出較合理的結果.網模型是一種更為簡化的區域模型.

2.1.2 船舶火災蔓延模型 該模型既要滿足計算機實時計算的能力,又要有較好的精度.

場模型、區域模型和網模型各有各的優點和適用領域.船舶的艙室較多,結構復雜,對于船舶的每個艙室都應用場模型模擬火災過程,需要巨大的計算量,遠遠超出了現有計算機的能力,即使是區域模型,其計算量也是難以承受的.此外,區域模型成立的基礎是船舶艙室的煙氣分層現象,而通過對船舶的實驗研究表明:通常煙氣層在著火艙室并無明顯的分層現象,只有在附近相鄰的非著火艙室,煙氣層才有明顯的分層現象.因此,本文提出發展場區網復合模型模擬船舶火災的蔓延(如圖3).對船舶著火艙室采用場模型中的大渦模擬技術進行研究,以獲得著火艙室火災發展過程的詳細參數及其變化規律.著火鄰近艙室是區域模型適用的場合,采用區域模型對其進行研究,構造出區域的狀態參量和高度變化.將遠離著火位置的艙室視為網絡節點,選用網模型,計算節點狀態參量隨時間的變化.

圖3 場區網復合模型

發展場區網復合模型,要重點研究大渦模擬技術,在保證模擬精度的同時提高模擬速度.考慮火災場的流動屬低馬赫數弱可壓浮力流,可采用適合描述該類流動的修正的N-S方程組,在離散濾波后的方程組時,時間項的離散采用顯式的二階精度Runge-Kutta格式,空間項的離散采用二階精度的中心差分格式.對于大渦模擬的燃燒模型,采用層流擴散火焰理論和快速反應假定.對于大渦模擬的輻射模型,近似地將火焰和煙氣作為灰體處理,忽略顆粒的散射作用,主要考慮輻射光譜連續的固體顆粒.

發展場區網復合模型的另一重要研究內容是場、區、網模型間的邊界耦合問題.對于著火艙室場模型的邊界條件,可以將其邊界位置放置在著火鄰近艙室,由區域模型的物理參量來確定.對于區域模型的求解,主要考慮區與場、區與區、區與網邊界處的流動和各區域內部的卷吸作用.由于從原理上講,網模型與區域模型沒有區別,只是網模型的各物理量需用一個均勻參數來表示,因此對于遠離著火位置艙室的網模型,通過采用區域模型且設置上下層各物理量的值相等來實現,這樣區、網模型間的邊界問題也變得容易解決.

2.2 船舶火災仿真

2.2.1 火焰仿真的方法 火災發生的同時會伴隨著火焰的燃燒,火焰具有實時的多變性和不規則性,無法進行準確的數學描述,如何對火焰進行仿真是計算機圖形學中的熱點和難點問題之一.目前,火焰的仿真方法可分為3種:紋理技術方法[7]、粒子系統方法[8]和物理模型方法[9].采用紋理技術方法模擬火焰,速度快,占用計算機資源較少,但人工痕跡較明顯,難以表現動態情景.粒子系統方法能表現一定的燃燒場景和燃燒細節,且實現簡便,適用于對模擬效果要求不太高的情況.物理模型方法是從物理性質出發,對火焰的運動變化進行合理的計算,可逼真地模擬火焰燃燒的過程,但該方法計算過于復雜,其連續性求解超出了現有計算機的能力.

2.2.2 船舶火災場景仿真 船舶火災場景由船舶周圍場景、自身場景和火焰燃燒場景3部分組成.船舶周圍場景的仿真是對船舶航行或停泊時的周圍環境的模擬;船舶自身場景的仿真需要對船舶進行建模;火焰燃燒場景的仿真是對船舶失火情況的三維模擬,是船舶火災場景仿真的研究重點.

就火焰仿真的3種方法而言,物理模型方法是從火焰的物理性質出發,從理論上對火焰的運動變化進行合理的計算,比較真實地再現了火焰燃燒的物理過程.所以,這種方法對火焰的運動變化控制得比較精確,也最能體現火焰場景的豐富細節.物理模型方法的核心是流體動力學方程,其連續性求解對于現階段計算機來說還是難以承受的.本文選用LBM(lattice boltzmann model)的離散方法[10]來解決這一問題.

由于船舶火災場景是大規模的火焰燃燒場景,全部采用物理模型方法進行仿真是不現實的.而其他2種火焰仿真方法也有一定的特點:粒子系統方法實現簡單,能表現一定的燃燒場景和燃燒細節,并可用隨機過程對模擬火焰進行控制;紋理技術方法如果運用得當,也能反映出火焰的一些重要特征如翻轉、渦旋等效果,從而提高場景的真實感.因此,可以對距離視點較近的火焰采用物理模型方法仿真,而對于距離視點較遠的火焰采用紋理技術和粒子系統方法仿真,這樣即保證了繪制的真實感,又提高了繪制的實時性.

近年來,圖形處理器(GPU)的性能及可編程能力得到大幅度提高,新一代GPU采用統一著色器架構,完全硬件支持DirectX 10的各項先進特性,為船舶火災場景仿真提供了良好的平臺.利用LBM并行性好的特點,運用圖形處理器強大的并行處理能力可對LBM計算過程進行加速;運用GPU的幾何著色器技術可以增強粒子系統方法繪制火焰的速度與效果;運用高動態范圍技術可模擬火焰燃燒時昡目刺眼的效果.

3 結 論

1)初步構建船舶火災模擬訓練系統,對系統各模塊的組成及作用進行了探討.

2)提出在完善大渦模擬技術、優化處理模型間邊界耦合的基礎上,發展場區網復合模型,使其能夠模擬船舶火災的發展過程,實現精度與效率的較好統一.

3)對火災場景仿真進行研究,提出利用物理模型結合紋理技術和粒子系統方法來模擬船舶火災,提高大規模火焰燃燒場景繪制的真實感與實時性,實現船舶火災場景的仿真.

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